JP2012220317A - Detector, electronic device, and robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検出装置、電子機器及びロボットに関するものである。 The present invention relates to a detection device, an electronic device, and a robot.
測定面にかかる外部圧力(以下、単に「外圧」と呼ぶ)の面内方向の力(すべり力)を検出する検出装置として、特許文献1に記載の検出装置が知られている。特許文献1の検出装置は、表面に変位可能な接触子を備え、接触子の変位を感圧素子によって検出することにより、すべり力の方向(すべり方向)を検出する。接触子の底面は平坦面となっており、接触子は底面全体で感圧素子と接触している。接触子にすべり力が加わると、すべり力のすべり方向に沿って接触子が傾倒し、感圧素子で検出される測定面内の圧力分布が変化する。この圧力分布を演算処理することにより、外圧のすべり方向が検出される。
As a detection device that detects an in-plane direction force (sliding force) of an external pressure applied to the measurement surface (hereinafter simply referred to as “external pressure”), a detection device described in
特許文献1の検出装置では、接触子の底面を感圧素子に押し付けた状態で接触部分を弾性変形させ、その変形量によって測定面内に圧力分布を生じさせている。そのため、外圧の検出精度を高めるためには、接触子は柔らかい材料で形成されていることが望ましい。しかし、接触子を柔らかい材料で形成すると、小さな外圧によって接触子が大きく潰れ、それ以上大きな外圧が加わっても、圧力分布がほとんど変化しなくなる。すなわち、大きな外圧に対して感度が悪くなる。一方、大きな外圧に対して感度のよい検出装置を提供しようとすると、接触子は硬い材料で形成されていることが望ましいが、この場合、小さな外圧によって接触子が変形しにくくなるので、小さな外圧に対して感度が悪くなる。
In the detection apparatus of
本発明の目的は、測定面に加わる外圧のすべり方向を広い圧力範囲で精度よく検出することが可能な検出装置、電子機器及びロボットを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a detection device, an electronic device, and a robot capable of accurately detecting the sliding direction of an external pressure applied to a measurement surface in a wide pressure range.
本発明の検出装置は、基準点の周りに複数の圧力センサーが配置された第1基板と、外圧によって先端部が前記複数の圧力センサーに当接した状態で弾性変形する弾性体突起が形成された第2基板と、を備え、前記弾性体突起は、前記第1基板に近い側から遠い側に向けて硬さが硬くなるように構成されている。 In the detection device of the present invention, a first substrate on which a plurality of pressure sensors are arranged around a reference point, and an elastic protrusion that is elastically deformed in a state in which a tip portion is in contact with the plurality of pressure sensors by external pressure are formed. A second substrate, and the elastic protrusion is configured such that its hardness increases toward a side farther from a side closer to the first substrate.
この構成によれば、弾性体突起に外圧が作用すると、まず弾性体突起の柔らかい部分が潰れて第1基板の面内に圧力分布を生じさせる。外圧を大きくしていくと、弾性体突起の柔らかい部分だけでなく硬い部分も弾性変形するようになる。そのため、弾性体突起の柔らかい部分が大きく潰れ、柔らかい部分がそれ以上変形しなくなっても、弾性体突起の硬い部分が弾性変形し、第1基板の面内に大きな圧力分布を生じさせることができる。このように弾性体突起では、柔らかい部分と硬い部分が互いに検出感度の弱い部分を補い合うので、結果として、広い圧力範囲で外圧を感度よく検出することが可能となる。 According to this configuration, when an external pressure is applied to the elastic protrusion, the soft portion of the elastic protrusion is first crushed to generate a pressure distribution in the surface of the first substrate. When the external pressure is increased, not only the soft part of the elastic projection but also the hard part is elastically deformed. Therefore, even if the soft portion of the elastic protrusion is largely crushed and the soft portion is no longer deformed, the hard portion of the elastic protrusion is elastically deformed, and a large pressure distribution can be generated in the plane of the first substrate. . As described above, in the elastic protrusion, the soft part and the hard part complement each other with a weak detection sensitivity, and as a result, it is possible to detect the external pressure with high sensitivity in a wide pressure range.
前記弾性体突起は、複数の層を積層して形成されており、前記複数の層の1層毎の平均硬さは、前記第1基板に近い側から遠い側に向けて硬くなるように構成されており、前記弾性体突起の硬さは、前記複数の層の境界部において不連続に変化していてもよい。 The elastic protrusion is formed by laminating a plurality of layers, and the average hardness of each of the plurality of layers is configured to become harder from a side closer to the first substrate toward a side farther from the first substrate. The hardness of the elastic protrusions may change discontinuously at the boundary between the plurality of layers.
この構成によれば、弾性体突起が複数の層によって形成されているので、複数の層の硬さを層毎に調節することにより、弾性体突起の硬さ分布を精度よく制御することができる。硬さ分布は検出装置の感度に影響するので、硬さ分布を精度よく制御することによって、外圧の検出精度も向上する。 According to this configuration, since the elastic protrusion is formed of a plurality of layers, the hardness distribution of the elastic protrusion can be accurately controlled by adjusting the hardness of the plurality of layers for each layer. . Since the hardness distribution affects the sensitivity of the detection device, the accuracy of detecting the external pressure is improved by controlling the hardness distribution with high accuracy.
前記複数の層の各々は、前記第1基板に近い側から遠い側に向けて硬さが変化しないように構成されていてもよい。 Each of the plurality of layers may be configured such that the hardness does not change from a side closer to the first substrate to a side farther from the first substrate.
この構成によれば、硬さの異なる複数の層を単純に積層していけばよいので、製造が容易である。 According to this configuration, since it is only necessary to simply stack a plurality of layers having different hardnesses, the manufacturing is easy.
前記複数の層の各々は、前記第1基板に近い側から遠い側に向けて硬さが連続的に変化するように構成されていてもよい。 Each of the plurality of layers may be configured such that the hardness continuously changes from a side closer to the first substrate toward a side farther from the first substrate.
この構成によれば、外圧の変化に対して検出装置の検出値(圧力値)を滑らかに変化させることができる。そのため、広い圧力範囲で外圧のすべり方向の検出を精度よく行うことができる。 According to this configuration, it is possible to smoothly change the detection value (pressure value) of the detection device with respect to a change in external pressure. Therefore, it is possible to accurately detect the sliding direction of the external pressure in a wide pressure range.
前記弾性体突起は、前記第1基板に近い側から遠い側に向けて硬さが連続的に変化するように構成されていてもよい。 The elastic protrusion may be configured such that the hardness continuously changes from a side closer to the first substrate toward a side farther from the first substrate.
この構成によれば、外圧の変化に対して検出装置の検出値(圧力値)を滑らかに変化させることができる。そのため、広い圧力範囲で外圧のすべり方向の検出を精度よく行うことができる。 According to this configuration, it is possible to smoothly change the detection value (pressure value) of the detection device with respect to a change in external pressure. Therefore, it is possible to accurately detect the sliding direction of the external pressure in a wide pressure range.
前記弾性体突起は、前記第2基板の法線と直交する面で切った断面が前記第2基板側から前記第1基板側に向けて徐々に小さくなるような形状を備えていてもよい。 The elastic protrusion may have a shape such that a cross section cut by a plane orthogonal to the normal line of the second substrate gradually decreases from the second substrate side toward the first substrate side.
この構成によれば、弾性体突起と圧力センサーとの接触面における荷重分散が抑制され、外圧の検出感度が向上する。 According to this configuration, load dispersion on the contact surface between the elastic protrusion and the pressure sensor is suppressed, and the detection sensitivity of the external pressure is improved.
前記複数の圧力センサーは、前記基準点を中心として点対称な位置に配置されていてもよい。 The plurality of pressure sensors may be arranged at point-symmetrical positions around the reference point.
この構成によれば、基準点と各圧力センサーとの間の距離が互いに等しくなるので、弾性体突起の弾性変形量と各圧力センサーの検出値の関係が互いに等しくなる。例えば、複数の圧力センサーが基準点から互いに異なる距離に配置される場合、弾性体突起の弾性変形量が同じであっても、各圧力センサーの検出値は互いに異なることとなる。このため、検出値の差分を演算する際に各圧力センサーの配置位置に応じた補正係数が必要となる。しかしながら、本発明の検出装置によれば、弾性体突起の弾性変形量と各圧力センサーの検出値との関係が互いに等しくなるので、前記補正係数は不要となる。したがって、各圧力センサーの検出値から外圧のすべり方向を演算することが容易となる。 According to this configuration, since the distance between the reference point and each pressure sensor becomes equal to each other, the relationship between the amount of elastic deformation of the elastic protrusion and the detection value of each pressure sensor becomes equal to each other. For example, when a plurality of pressure sensors are arranged at different distances from the reference point, even if the elastic deformation amounts of the elastic protrusions are the same, the detection values of the pressure sensors are different from each other. For this reason, when calculating the difference between the detection values, a correction coefficient corresponding to the arrangement position of each pressure sensor is required. However, according to the detection apparatus of the present invention, the relationship between the amount of elastic deformation of the elastic protrusion and the detection value of each pressure sensor becomes equal to each other, so that the correction coefficient is not necessary. Therefore, it becomes easy to calculate the sliding direction of the external pressure from the detection value of each pressure sensor.
前記複数の圧力センサーは、互いに直交する2方向にマトリクス状に配置されていてもよい。 The plurality of pressure sensors may be arranged in a matrix in two directions orthogonal to each other.
この構成によれば、互いに隣接する圧力センサーの検出値の差分を求めることにより、外圧のすべり方向を互いに直交する2方向のベクトルとして算出することができる。 According to this configuration, the sliding direction of the external pressure can be calculated as a vector in two directions orthogonal to each other by obtaining a difference between detection values of pressure sensors adjacent to each other.
前記弾性体突起は前記第2基板に複数形成され、前記複数の弾性体突起は互いに離間して配置されていてもよい。 A plurality of the elastic protrusions may be formed on the second substrate, and the plurality of elastic protrusions may be spaced apart from each other.
この構成によれば、弾性体突起同士の干渉が抑制されるので、複数の弾性体突起が設置された領域全体で、精度のよい外圧の検出が可能となる。 According to this configuration, since the interference between the elastic protrusions is suppressed, it is possible to accurately detect the external pressure in the entire region where the plurality of elastic protrusions are installed.
前記外圧によって前記弾性体突起が弾性変形することにより複数の前記圧力センサーで検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて前記外圧のすべり方向と大きさを演算する演算装置を備えていてもよい。 The elastic protrusion is elastically deformed by the external pressure to calculate the difference between the pressure values detected by the pressure sensors arbitrarily combined among the pressure values detected by the plurality of pressure sensors, and based on the difference And a calculation device for calculating the sliding direction and magnitude of the external pressure.
本発明の電子機器又はロボットは、本発明の検出装置を備えている。 The electronic apparatus or robot of the present invention includes the detection device of the present invention.
この構成によれば、外圧のすべり方向を高い精度で検出可能な電子機器又はロボットを提供することができる。 According to this configuration, it is possible to provide an electronic device or a robot that can detect the sliding direction of the external pressure with high accuracy.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment shows one aspect of the present invention, and does not limit the present invention, and can be arbitrarily changed within the scope of the technical idea of the present invention. Moreover, in the following drawings, in order to make each structure easy to understand, an actual structure and a scale, a number, and the like in each structure are different.
以下の説明においては、図1中に示されたXYZ直交座標系を設定し、このXYZ直交座標系を参照しつつ各部材について説明する。XYZ直交座標系は、X軸及びY軸が第1基板10に対して平行な方向に設定され、Z軸が第1基板10に対して直交する方向に設定されている。
In the following description, the XYZ rectangular coordinate system shown in FIG. 1 is set, and each member will be described with reference to this XYZ rectangular coordinate system. In the XYZ orthogonal coordinate system, the X axis and the Y axis are set in a direction parallel to the
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る検出装置1の概略構成を示す分解斜視図である。図1において、符号Pは基準点、符号Sは1つの弾性体突起22に対応して配置された複数の圧力センサー12が検出する単位検出領域を示している。符号S1,S2,S3,S4は、1つの圧力センサー12によって検出される検出領域を示している。
(First embodiment)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of a
検出装置1は、基準点に加えられた外圧の方向と大きさを検出する圧力センサー方式のタッチパッドであり、例えばノートパソコン等の電子機器においてマウスの代わりのポインティングデバイスとして用いられるものである。なお、「基準点」とは、弾性体突起の中心が位置決めされるポイント、すなわち、単位検出領域の中心点である。また、圧力センサーの方式については特に限定されることなく、例えば静電容量方式やフォトセンサー方式等を用いることができる。
The
図1に示すように、検出装置1は、基準点Pの回りに複数配置された圧力センサー12、を有する第1基板10と、外圧によって先端部が第1基板10に当接した状態で弾性変形する弾性体突起22、が形成された第2基板20と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the
検出装置1は、外圧によって弾性体突起22が弾性変形することにより複数の圧力センサー12で検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー12で検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向と大きさを演算する演算装置30を備えている。
The
第1基板10は、例えばガラス、石英及びプラスチック等の材料で構成された矩形板状の第1基板本体11と、第1基板本体11に配置された複数の圧力センサー12と、を具備して構成されている。例えば、第1基板本体11の大きさ(平面視のサイズ)は、縦56mm×横56mm程度になっている。
The
複数の圧力センサー12は、基準点Pに対して点対称に配置されている。例えば、複数の圧力センサー12は、互いに直交する2方向(X方向及びY方向)にマトリクス状に配置されている。これにより、基準点Pと各圧力センサー12との間の距離が互いに等しくなるので、弾性体突起22の変形と各圧力センサー12で検出される圧力値との関係が互いに等しくなる。よって、各圧力センサー12の圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー12で検出された圧力値の差分を演算することが容易となる。また、圧力センサーが互いに直交する2方向にマトリクス状に配置されている場合には、外圧のすべり方向を互いに直交する2方向のベクトルとして算出することができるので、演算が容易になる。なお、圧力値の差分の演算方法については後述する。
The plurality of
隣り合う圧力センサー12の間隔は、0.1mm程度になっている。このため、外乱や静電気等の影響により隣り合う位置の圧力センサー12で検出される圧力値にノイズがのらないようになっている。
The interval between the
複数の圧力センサー12は、単位検出領域S当たり縦2行横2列に計4つ配置されている。4つの圧力センサー12の中心(単位検出領域Sの中心)が基準点Pとなっている。例えば、単位検出領域Sの大きさ(平面視のサイズ)は、縦2.8mm×横2.8mm程度になっている。また、4つの圧力センサー12の各面積がほぼ等しくなっている。圧力センサー12としては、例えばダイアフラムゲージ等の公知の感圧素子を用いることができる。圧力センサー12は、例えば、接触面に外圧が作用したときにダイアフラムに加わる圧力を電気信号に変換する。
A plurality of
第2基板20は、矩形板状の第2基板本体21と、第2基板本体21に配置された複数の弾性体突起22と、を具備して構成されている。第2基板本体21は、外圧を直接受ける部分である。第2基板本体21は、例えばガラス、石英及びプラスチック等の材料で構成することもできるし、発泡ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂材料で構成することもできる。
The
複数の弾性体突起22は、第2基板本体21上においてX方向及びY方向にマトリクス状に配置されている。弾性体突起22は、第1基板10に近い側(−Z側)から遠い側(+Z側)に向けて硬さが硬くなるように構成されている。図1の例では、弾性体突起22は、複数の層(第1層22a、第2層22b)を積層して形成されており、前記複数の層の1層毎の平均硬さは、第1基板10に近い側から遠い側に向けて硬くなるように構成されており、弾性体突起22の硬さは、複数の層22a,22bの境界部において不連続に変化している。例えば、複数の層22a,22bの各々は、第1基板10に近い側から遠い側に向けて硬さが変化しないように構成されており、基端部に配置された第1層22aの平均硬さは50であり、先端部に配置された第2層22bの平均硬さは30である。
The plurality of
なお、「硬さ」とは、デュロメータ硬さ(タイプA、ISO7619準拠のデュロメータによる硬さ測定値)をいい、「層の平均硬さ」とは、当該層の微小領域の硬さを層全体で体積積分した値を計算し、その積分値を当該層の体積で除算したものをいう。 “Hardness” refers to durometer hardness (type A, measured by a durometer conforming to ISO7619), and “average hardness of a layer” refers to the hardness of the micro area of the layer as a whole. Is a value obtained by dividing the volume by the volume of the layer.
弾性体突起22は、第2基板の法線と直交する面で切った断面が第2基板20側から第1基板10側に向けて徐々に小さくなるような形状を備えている。弾性体突起22の先端部が先細るように形成されていることにより、弾性体突起22と圧力センサー12との接触面における荷重分散が抑制され、外圧の検出感度が向上する。図1の例では、弾性体突起22の先端部は、球面の錘状となっているが、弾性体突起22の形状はこれに限定されない。
The
弾性体突起22は、先端部が第1基板10(第1基板本体11上の複数の圧力センサー12)に当接している。弾性体突起22の重心は、初期的に基準点Pと重なる位置に配置されている。また、複数の弾性体突起22は、互いに離間して配置されている。このため、弾性体突起22が弾性変形したときの第2基板本体21の面内に平行な方向の変形量を許容することができる。
The
弾性体突起22のサイズは任意に設定することができる。ここでは、弾性体突起22の基部の径(弾性体突起22が第1基板10に接する部分の直径)は1.8mm程度になっている。弾性体突起22の高さ(弾性体突起22のZ方向の距離)は2mm程度になっている。隣り合う弾性体突起22の離間間隔は1mm程度になっている。
The size of the
図2及び図3は、基準点Pに作用する外圧の方向と大きさを検出する方法の説明図である。図2(a)〜(c)は、第1実施形態に係る圧力センサーによる圧力値の変化を示す断面図である。図3(a)〜(c)は、図2(a)〜(c)に対応した、第1実施形態に係る圧力センサーによる圧力値の変化を示す平面図である。なお、図2(a)及び図3(a)は第2基板20の表面に外圧が付加される前の状態(外圧の作用がないとき)を示している。図2(b)及び図3(b)は第2基板20の表面に垂直方向(すべり力がない状態)の外圧が付加された状態を示している。図2(c)及び図3(c)は第2基板20の表面に斜め方向(すべり力がある状態)の外圧が付加された状態を示している。また、図3(a)〜(c)において、符号Gは弾性体突起22の重心(圧力中心)を示している。
2 and 3 are explanatory views of a method for detecting the direction and magnitude of the external pressure acting on the reference point P. FIG. 2A to 2C are cross-sectional views showing changes in pressure values by the pressure sensor according to the first embodiment. FIGS. 3A to 3C are plan views showing changes in pressure values by the pressure sensor according to the first embodiment, corresponding to FIGS. 2A to 2C. 2A and 3A show a state before external pressure is applied to the surface of the second substrate 20 (when no external pressure is applied). FIG. 2B and FIG. 3B show a state in which an external pressure in a vertical direction (a state without a sliding force) is applied to the surface of the
図2(a)及び図3(a)に示すように、第2基板20の表面に外圧が付加される前においては、弾性体突起22は変形しない。これにより、第1基板10と第2基板20との間の距離は一定に保たれる。このとき、弾性体突起22の重心Gは基準点Pと重なる位置に配置されている。このときの各圧力センサー12の圧力値は図示略のメモリに記憶されている。メモリに記憶された各圧力センサー12の圧力値を基準として外圧の作用する方向や大きさが求められる。
As shown in FIGS. 2A and 3A, the
図2(b)及び図3(b)に示すように、第2基板20の表面に垂直方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起22は先端部が第1基板10の表面に配置された複数の圧力センサー12に当接した状態でZ方向に圧縮変形する。これにより、第2基板20が−Z方向に撓み、第1基板10と第2基板20との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このときの圧力センサーの圧力値は、外圧の作用がないときに比べて大きくなる。また、その変化量は各圧力センサーとも略同じ値となる。
As shown in FIGS. 2B and 3B, when an external pressure in the vertical direction is applied to the surface of the
図2(c)及び図3(c)に示すように、第2基板20の表面に斜め方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起22は先端部が第1基板10の表面に配置された複数の圧力センサー12に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第2基板20が−Z方向に撓み、第1基板10と第2基板20との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このとき、弾性体突起22の重心Gは基準点Pから+X方向及び+Y方向にずれる。この場合、弾性体突起22の先端部と4つの圧力センサー12との重なる面積は互いに異なる。具体的には、弾性体突起22の先端部と4つの圧力センサー12との重なる面積は、4つの圧力センサー12のうち−X方向及び−Y方向に配置された部分と重なる面積よりも+X方向及び+Y方向に配置された部分と重なる面積のほうが大きくなる。
As shown in FIGS. 2C and 3C, when an external pressure in an oblique direction is applied to the surface of the
弾性体突起22は、斜め方向の外圧により変形に偏りが生じる。すなわち、弾性体突起22の重心は基準点Pからずれてすべり方向(X方向及びY方向)に移動する。すると、各圧力センサーで異なる値の圧力値が検出される。具体的には、弾性体突起22の重心と重なる位置の圧力センサーでは相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起22の重心と重ならない位置の圧力センサーでは相対的に小さい圧力値が検出されることとなる。そして、後述する差分の演算方法に基づいて外圧が加えられた方向と大きさが求められる。
The
図4は、検出装置1の出力特性を示す図である。横軸は、第2基板20に加えられる外圧の大きさであり、縦軸は、検出装置1で検出される圧力値である。
FIG. 4 is a diagram illustrating output characteristics of the
前述のように、弾性体突起22は、硬さの異なる複数の層(第1層22a、第2層22b)が第2基板本体21側から順次積層されて形成されており、弾性体突起22は、第1基板10に近い側から遠い側に向けて硬さが硬くなるように構成されている。そのため、外圧の大きさを変化させると、弾性体突起22の各層22a,22bの弾性特性に応じた複数の出力特性a1,a2が現れ、それらを合成した出力特性が検出装置1の出力特性a3となる。
As described above, the
例えば、外圧の小さい低圧領域では、弾性体突起22の第2層22bが出力特性a1に従って弾性変形し、第1基板10の面内に圧力分布を生じさせる。第2層22bは柔らかい材料で形成されているので、小さな外圧でも大きく変形し、第1基板10の面内に大きな圧力分布を生じさせる。一方、外圧の大きい高圧領域では、第2層22bは完全に潰れ、それ以上の弾性変形は生じにくくなる。しかし、第2層22bよりも硬い第1層22aが出力特性a2に従って弾性変形するので、第1基板10の面内に大きな圧力分布を生じさせることができる。
For example, in the low pressure region where the external pressure is small, the
弾性体突起22を柔らかい材料のみ又は硬い材料のみで形成した場合には、高圧領域又は低圧領域で外圧を感度よく検出することができない。しかし、弾性体突起22の一部を柔らかい材料で形成し、一部を硬い材料で形成すると、柔らかい部分と硬い部分が互いに検出感度の弱い部分を補い合うので、結果として、広い圧力範囲で外圧を感度よく検出することが可能となる。
When the
図5は、第1実施形態に係るセンシング領域の座標系を示す図である。図6は、第1実施形態に係る圧力センサーによる垂直方向の圧力分布を示す図である。図7は、第1実施形態に係る圧力センサーによるすべり方向の計算例を示す図である。なお、以下の説明では、検出領域S1,S2,S3,S4に含まれる圧力センサーを単に圧力センサーS1,S2,S3,S4と記載する。 FIG. 5 is a diagram illustrating a coordinate system of the sensing area according to the first embodiment. FIG. 6 is a view showing a pressure distribution in the vertical direction by the pressure sensor according to the first embodiment. FIG. 7 is a diagram illustrating a calculation example of the slip direction by the pressure sensor according to the first embodiment. In the following description, the pressure sensors included in the detection areas S1, S2, S3, and S4 are simply referred to as pressure sensors S1, S2, S3, and S4.
図5に示すように、複数の圧力センサーS1〜S4は、単位検出領域S当たり縦2行横2列に計4つ配置されている。ここで、各圧力センサーS1〜S4が検出する圧力値(検出値)をそれぞれPS1,PS2,PS3,PS4とすると、外力のX方向成分Fx(外力の面内方向成分のうちX方向に作用する分力の割合)は以下の式(1)で表される。 As shown in FIG. 5, a plurality of pressure sensors S1 to S4 are arranged in a unit of two vertical rows and two horizontal columns per unit detection region S. Here, assuming that the pressure values (detected values) detected by the pressure sensors S1 to S4 are P S1 , P S2 , P S3 , and P S4 , respectively, the X direction component Fx of the external force (X of the in-plane direction components of the external force) The ratio of the component force acting in the direction) is expressed by the following equation (1).
また、外力のY方向成分Fy(外力の面内方向成分のうちY方向に作用する分力の割合)は以下の式(2)で表される。 Further, the Y direction component Fy of the external force (the ratio of the component force acting in the Y direction among the in-plane direction components of the external force) is expressed by the following equation (2).
また、外力のZ方向成分Fz(外力の垂直方向成分)は以下の式(3)で表される。 The Z direction component Fz of the external force (vertical direction component of the external force) is expressed by the following formula (3).
本実施形態では、外圧によって弾性体突起が弾性変形することにより4つの圧力センサーS1〜S4で検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向が演算される。 In this embodiment, the elastic protrusions are elastically deformed by external pressure, and the difference between the pressure values detected by the pressure sensors arbitrarily combined among the pressure values detected by the four pressure sensors S1 to S4 is calculated. The direction in which the external pressure is applied is calculated based on the difference.
式(1)に示すように、外圧のX方向成分Fxにおいては、4つの圧力センサーS1〜S4で検出された圧力値のうち+X方向に配置された圧力センサーS2及びS4で検出された値が組み合わされるとともに、−X方向に配置された圧力センサーS1及びS3で検出された値が組み合わされる。このように、+X方向に配置された圧力センサーS2及びS4の組み合わせによる圧力値と−X方向に配置された圧力センサーS1及びS3の組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外圧のX方向成分が求められる。 As shown in Expression (1), in the X direction component Fx of the external pressure, the values detected by the pressure sensors S2 and S4 arranged in the + X direction among the pressure values detected by the four pressure sensors S1 to S4 are shown. In addition, the values detected by the pressure sensors S1 and S3 arranged in the −X direction are combined. As described above, the X-direction component of the external pressure is based on the difference between the pressure value obtained by the combination of the pressure sensors S2 and S4 arranged in the + X direction and the pressure value obtained by the combination of the pressure sensors S1 and S3 arranged in the -X direction. Desired.
式(2)に示すように、外圧のY方向成分Fyにおいては、4つの圧力センサーS1〜S4で検出された圧力値のうち+Y方向に配置された圧力センサーS1及びS2で検出された値が組み合わされるとともに、−Y方向に配置された圧力センサーS3及びS4で検出された値が組み合わされる。このように、+Y方向に配置された圧力センサーS1及びS2の組み合わせによる圧力値と−Y方向に配置された圧力センサーS3及びS4の組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外圧のY方向成分が求められる。 As shown in the equation (2), in the Y direction component Fy of the external pressure, the values detected by the pressure sensors S1 and S2 arranged in the + Y direction among the pressure values detected by the four pressure sensors S1 to S4 are shown. The values detected by the pressure sensors S3 and S4 arranged in the −Y direction are combined together. Thus, the Y-direction component of the external pressure is based on the difference between the pressure value obtained by combining the pressure sensors S1 and S2 arranged in the + Y direction and the pressure value obtained by combining the pressure sensors S3 and S4 arranged in the -Y direction. Desired.
式(3)に示すように、外圧のZ方向成分Fzにおいては、4つの圧力センサーS1〜S4の圧力値を足し合わせた合力で求められる。ただし、外圧のZ方向成分Fzは、外圧のX方向成分Fx及び外圧のY方向成分Fy(分力)に比べて検出値が大きく検出される傾向がある。このため、外圧のZ方向成分Fzの検出値を、外圧のX方向成分Fx及び外圧のY方向成分Fyの検出値と揃えるには、弾性体突起22の材質や形状によって決定される補正係数で検出値を適宜補正する必要がある。
As shown in Expression (3), the Z direction component Fz of the external pressure is obtained by a resultant force obtained by adding the pressure values of the four pressure sensors S1 to S4. However, the detected value of the Z direction component Fz of the external pressure tends to be detected larger than the X direction component Fx of the external pressure and the Y direction component Fy (component force) of the external pressure. Therefore, in order to align the detected value of the Z direction component Fz of the external pressure with the detected values of the X direction component Fx of the external pressure and the Y direction component Fy of the external pressure, a correction coefficient determined by the material and shape of the
図6に示すように、タッチパッドの検出面の中央部より左上寄りの位置を指で斜めに押した場合を考える。このとき、外圧の垂直方向の圧力は、外圧が作用した部分の中心部が最も大きくなっている(圧力センサーの出力電圧90〜120mV程度)。また、外圧の垂直方向の圧力は、中心部に次いでその周辺部(60〜90mV程度)、最外周部(30〜60mV程度)の順に小さくなっている。また、指で押されていない領域は、圧力センサーの出力電圧が0〜30mV程度となっている。なお、タッチパッドには単位検出領域(圧力センサーS1〜S4が縦2行横2列に計4つ配置された領域)がマトリクス状(例えば縦15行×横15列に計225個)に配置されているとする。 As shown in FIG. 6, consider a case where a position on the upper left side of the center of the detection surface of the touchpad is pushed diagonally with a finger. At this time, the pressure in the vertical direction of the external pressure is the largest at the center of the portion where the external pressure is applied (the output voltage of the pressure sensor is about 90 to 120 mV). Moreover, the pressure in the vertical direction of the external pressure decreases in the order of the peripheral portion (about 60 to 90 mV) and the outermost peripheral portion (about 30 to 60 mV) next to the central portion. Moreover, the output voltage of the pressure sensor is about 0 to 30 mV in the region not pressed by the finger. The touchpad has unit detection areas (area where pressure sensors S1 to S4 are arranged in a total of 4 in 2 rows and 2 columns) arranged in a matrix (for example, a total of 225 in 15 rows x 15 columns). Suppose that
図7に示すように、タッチパッドの検出面の中央部より左上寄りの位置を指で斜めに押した場合の外圧の面内方向成分(すべり方向)の算出方法を考える。このとき、指の押圧力(外力)は、縦15行×横15列に配置されたものうち縦3行×横3列に配置された部分に作用しているとする。ここで、外圧の垂直方向の圧力は、図6と同様に外圧が作用した部分の中心部がもっとも大きくなっている(110mV)。 As shown in FIG. 7, a method for calculating the in-plane direction component (slip direction) of the external pressure when the position on the upper left side of the center of the detection surface of the touchpad is obliquely pressed with a finger will be considered. At this time, it is assumed that the finger pressing force (external force) acts on the portion arranged in the vertical 3 rows × horizontal 3 columns among the vertical rows 15 × horizontal 15 columns. Here, the pressure in the vertical direction of the external pressure is the largest at the central portion of the portion where the external pressure is applied as in FIG. 6 (110 mV).
縦3行×横3列に配置された各単位検出領域は、それぞれ4つの圧力センサーS1〜S4を有しており、各圧力センサーS1〜S4で検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向が演算される。つまり、各単位検出領域では、上述した式(1)及び式(2)に基づいて外圧のX方向成分Fx及び外圧のY方向成分Fyが算出される。ここでは、+X方向を基準として左回りに約123°の方向に外圧が作用していることが分かる。なお、外圧の作用する方向の算出にあっては、9つの算出結果の平均値で求める方法、あるいは9つの算出結果のうちの最大値(例えば所定のしきい値よりも大きい検出値)により求める方法を用いることができる。 Each unit detection area arranged in 3 rows x 3 columns has four pressure sensors S1 to S4, which are arbitrarily combined among the pressure values detected by the pressure sensors S1 to S4. The difference between the pressure values detected by each pressure sensor is calculated, and the direction in which the external pressure is applied is calculated based on the difference. That is, in each unit detection region, the X-direction component Fx of the external pressure and the Y-direction component Fy of the external pressure are calculated based on the above formulas (1) and (2). Here, it can be seen that the external pressure acts in the direction of about 123 ° counterclockwise with respect to the + X direction. In calculating the direction in which the external pressure acts, the calculation is performed by the average value of the nine calculation results or the maximum value (for example, a detection value larger than a predetermined threshold value) of the nine calculation results. The method can be used.
図8は、弾性体突起22の製造方法の一例を示す説明図である。
FIG. 8 is an explanatory view showing an example of a method for manufacturing the
弾性体突起22を製造する場合には、まず、図8(a)に示すように、第2層22bに対応した開口部40aが設けられた第1の型40を用意し、図8(b)に示すように、第1の型40の開口部40aにシリコーンゴムなどの弾性材料を充填して第2層22bを形成する。第2層22bはデュロメータ硬さが30程度の柔らかい材料で形成される。このような材料としては、信越シリコーン社製のシリコーンRTVゴム KE−14(商品名)が好適である。
When manufacturing the
次に、図8(c)に示すように、第1層22aに対応した開口部41aが設けられた第2の型41を第1の型40の上に積層し、図8(d)に示すように、第2の型41の開口部41aに露出した第2層22b上にシリコーンゴムなどの弾性材料を充填して第1層22aを形成する。第1層22aはデュロメータ硬さが50程度の硬い材料で形成される。このような材料としては、信越シリコーン社製のシリコーンRTVゴム KE−17(商品名)が好適である。
Next, as shown in FIG. 8C, a
以上の方法により製造された弾性体突起22は、図1に示した第2基板本体21に溶着又は接着され、第2基板本体21と一体化される。そして、弾性体突起22から第1の型40及び第2の型41が取り外され、第2基板20が完成する。
The
この方法では、第1の型40と第2の型41の開口部に順次弾性材料を充填していくので、第1層22aと第2層22bの硬さは、それぞれ厚み方向において変化しない。そのため、弾性体突起22の硬さは、第1層22aと第2層22bとの境界部において不連続となり、検出装置の出力特性においても、低圧側から高圧側にかけて不連続的に変化する部分(図4の符号Aで示した部分)が生じる。しかし、上記の方法は、硬さの異なる複数の層を単純に積層していけばよいので、製造が容易であり、コストも低減できる。
In this method, the openings of the
本実施形態の検出装置1によれば、弾性体突起22の硬さが、第1基板10に近い側から遠い側に向けて硬くなるように形成されているため、外圧の小さい低圧領域から外圧の大きい高圧領域まで広い圧力範囲で感度よく外圧を検出することができる。また、弾性体突起22は、硬さの異なる複数の層22a,22bを積層して形成されているので、複数の層22a,22bの硬さを層毎に調節することにより、弾性体突起22の硬さ分布を精度よく制御することができる。硬さ分布は検出装置1の感度に影響するので、硬さ分布を精度よく制御することにより、外圧の検出精度も向上する。
According to the
本実施形態では、弾性体突起22を2層で形成したが、弾性体突起22を3層以上で形成することもできる。層数が増えるほど、検出装置1の出力特性に不連続的に変化する部分(図4の符号Aで示した部分)が生じにくくなり、外圧の変化に対して検出装置1の検出値(圧力値)を滑らかに変化させることができる。そのため、広い圧力範囲で外圧のすべり方向の検出を精度よく行うことができる。
In the present embodiment, the
(第2実施形態)
図9は、第2実施形態の検出装置2の概略構成を示す断面図である。検出装置2において第1実施形態の検出装置1と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the
検出装置2において第1実施形態の検出装置1と異なる点は、弾性体突起23の硬さが第1基板10に近い側から遠い側に向けて硬くなるように、弾性体突起23の硬さが連続的に変化している点である。弾性体突起23の硬さは、例えば、弾性体突起23を硬化する際の硬化度合いを弾性体突起23の厚み方向(Z方向)に変化させることにより制御されている。第2基板24は、弾性体突起23を第2基板本体21に溶着又は接着することにより形成されている。
The difference between the
図10は、検出装置2の出力特性を示す図である。横軸は、第2基板24に加えられる外圧の大きさであり、縦軸は、検出装置2で検出される圧力値である。
FIG. 10 is a diagram illustrating output characteristics of the
前述のように、弾性体突起23の硬さは、第1基板10に近い側から遠い側に向けて連続的に変化している。弾性体突起23は、硬さの異なる多数の層を第2基板本体21側から順次積層したのと同等の構成となる。そのため、弾性体突起23の各層の弾性特性に応じた多数の出力特性b1,b2,b3,b4,…が現れ、それらを合成した出力特性が検出装置2の出力特性b5となる。
As described above, the hardness of the
例えば、外圧の小さい低圧領域では、弾性体突起23の最も柔らかい部分が出力特性b1に従って弾性変形し、第1基板10の面内に圧力分布を生じさせる。外圧を大きくしていくと、柔らかい部分はそれ以上弾性変形しなくなるが、それよりも硬い部分が出力特性b2,b3,b4…に従って順次弾性変形するため、第1基板10の面内に大きな圧力分布を生じさせることができる。その結果、広い圧力範囲で外圧を感度よく検出することが可能となる。
For example, in the low pressure region where the external pressure is small, the softest part of the
図11は、弾性体突起23の製造方法の一例を示す説明図である。
FIG. 11 is an explanatory view showing an example of a method for manufacturing the
弾性体突起23を製造する場合には、まず、図11(a)に示すように、弾性体突起23に対応した開口部42aを有する型42を用意し、型42の開口部42aの底部に硬化阻害物質43を配置する。硬化阻害物質43としては、硫黄、リン、窒素化合物、水、有機金属塩などを含む物質で、例えば松ヤニなどのワックス類が挙げられる。
When manufacturing the
次に、図11(b)に示すように、型42の開口部42aにシリコーンゴムなどの弾性材料44を充填する。そして、図11(c)に示すように、弾性材料44を硬化して弾性体突起23を形成する。弾性材料44としては、例えば、信越シリコーン社製の付加反応型のシリコーンRTVゴムKE−17(商品名)が用いられる。
Next, as shown in FIG. 11B, the
弾性材料44として付加反応型のRTVゴムを用いると、硬化阻害物質43により、硬化阻害物質に近い部分の弾性材料44の硬化が阻害され、硬化不良となる。硬化阻害物質43から遠い部分の弾性材料44は、硬化阻害物質43の影響が少なくなるため、硬化不良とはならない。その結果、弾性体突起23の先端部は弾性が大きく(柔らかく)、弾性体突起23の基端部では弾性が小さい(硬い)構造となる。
When an addition reaction type RTV rubber is used as the
以上の方法により製造された弾性体突起23は、図9に示した第2基板本体21に溶着又は接着され、第2基板本体21と一体化される。そして、弾性体突起23から型42が取り外され、第2基板24が完成する。
The
本実施形態の検出装置2では、硬化阻害物質43に近い側から遠い側に向けて弾性体突起23の硬さが連続的に変化する。弾性体突起23の内部には、硬さが不連続的に変化する領域(例えば、図4の符号Aで示した部分)が形成されないので、外圧の変化に対して検出装置2の検出値(圧力値)を滑らかに変化させることができる。そのため、広い圧力範囲で外圧のすべり方向の検出を精度よく行うことができる。
In the
(第3実施形態)
図12は、第3実施形態の検出装置3の概略構成を示す断面図である。検出装置3において第1実施形態の検出装置1と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
(Third embodiment)
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the
検出装置3において第1実施形態の検出装置1と異なる点は、弾性体突起27が、複数の層(第1層25、第2層26)を積層して形成されており、複数の層25,26の各々が、第1基板10に近い側から遠い側に向けて硬さが連続的に変化するように構成されている点である。各層25,26の硬さは、例えば、各層25,26を硬化する際の硬化度合いを層厚方向(Z方向)に変化させることにより制御されている。複数の層25,26の1層毎の平均硬さは、第1基板10に近い側から遠い側に向けて硬くなるように構成されており(第1層25の平均硬さ>第2層26の平均硬さ)、弾性体突起27の硬さは、複数の層25,26の境界部において不連続に変化している。
The
第1層25及び第2層26は、図8に示したものと同様の方法で作製することができる。図8では、第1層と第2層を層厚方向全体で均一に硬化させたが、本実施形態では、第1層25と第2層26の内部に厚み方向の硬さ分布を持たせるために、図11に示したような硬化阻害物質を用い、第1層25と第2層26の硬化度合いを厚み方向で不均一にする。そうすることによって、第2層26の第1層25側の部分を硬くし、第2層26と第1層25との境界部に大きな硬さの変化が生じないようにしている。
The
図13は、検出装置3の出力特性を示す図である。横軸は、第2基板28に加えられる外圧の大きさであり、縦軸は、検出装置3で検出される圧力値である。
FIG. 13 is a diagram illustrating output characteristics of the
前述のように、第1層25及び第2層26の各々の硬さは、第1基板10に近い側から遠い側に向けて連続的に変化している。第1層25は、硬さの異なる多数の層を第2基板本体21側から順次積層したのと同等の構成となり、第2層26は、硬さの異なる多数の層を第2基板本体21側から順次積層したものと同等の構成となる。そのため、外圧の小さい低圧領域では、第2層26を構成する各層の弾性特性に応じた多数の出力特性が現れ、それらを合成した出力特性c1が検出装置3の低圧領域の出力特性となる。外圧の大きい高圧領域では、第1層25を構成する各層の弾性特性に応じた多数の出力特性が現れ、それらを合成した出力特性c2が検出装置3の高圧領域の出力特性となる。そして、低圧領域の出力特性c1と高圧領域の出力特性c2とを合成したものが、検出装置3の出力特性c3となる。
As described above, the hardness of each of the
第1層25及び第2層26は、それぞれ第1基板10に近い側から遠い側に向けて硬さが硬くなるような硬さ分布備えているので、第1層25と第2層26との境界部における硬さの変化は小さい。そのため、低圧領域の出力特性c1と高圧領域の出力特性c2とが滑らかに接続され、全体としての出力特性c3も滑らかとなる。そのため、低圧領域と高圧領域との境界部において、図4の符号Aで示したような大きな不連続性は生じにくくなり、結果として、広い圧力範囲で外圧を感度よく検出することが可能となる。
Since the
(電子機器)
図14は、上記実施形態に係る検出装置を適用した携帯電話機1000の概略構成を示す模式図である。携帯電話機1000は、複数の操作ボタン1003及びスクロールボタン1002、並びに表示部としての液晶パネル1001を備えている。液晶パネル1001には、上記実施形態に係る検出装置が内蔵されている。スクロールボタン1002を操作することによって、液晶パネル1001に表示される画面がスクロールされる。液晶パネル1001にはメニューボタン(図示略)が表示される。例えば、メニューボタンを指で触れると電話帳が表示されたり、携帯電話機の電話番号が表示されたりする。
(Electronics)
FIG. 14 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a
図15は、上記実施形態に係る検出装置を適用した携帯情報端末(PDA:Personal Digital Assistants)2000の概略構成を示す模式図である。携帯情報端末2000は、複数の操作ボタン2002及び電源スイッチ2003、並びに表示部としての液晶パネル2001を備えている。液晶パネル2001には、上記実施形態に係る検出装置が内蔵されている。電源スイッチ2003を操作すると、液晶パネル2001にはメニューボタンが表示される。例えば、メニューボタン(図示略)を指で触れると住所録が表示されたり、スケジュール帳が表示されたりする。
FIG. 15 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a personal digital assistant (PDA) 2000 to which the detection apparatus according to the embodiment is applied. The
このような電子機器によれば、上述した検出装置を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な電子機器を提供することができる。 According to such an electronic device, since the above-described detection device is provided, an electronic device capable of detecting the direction and magnitude of the external pressure with high accuracy can be provided.
なお、電子機器としては、この他にも、例えばパーソナルコンピューター、ビデオカメラのモニター、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電卓、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、POS端末、デジタルスチルカメラ、タッチパネルを備えた機器等が挙げられる。これらの電子機器に対しても、本発明に係る検出装置を適用させることができる。 Other electronic devices include, for example, personal computers, video camera monitors, car navigation devices, pagers, electronic notebooks, calculators, word processors, workstations, videophones, POS terminals, digital still cameras, and touch panels. Equipment and the like. The detection apparatus according to the present invention can also be applied to these electronic devices.
(ロボット)
図16は、上記実施形態に係る検出装置を適用したロボット3000の概略構成を示す模式図である。図16(a)に示すように、ロボット3000は、本体部3003及び一対のアーム部3002、並びに検出装置を適用した把持部3001を備えたロボットハンドを有する。例えば、リモコン等の制御装置によりアーム部3002に駆動信号を送信すると、一対のアーム部3002が開閉動作する。
(robot)
FIG. 16 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a
図16(b)に示すように、ロボット3000でコップ等の対象物3010を把持する場合を考える。このとき、対象物3010に作用する力は把持部3001で圧力として検出される。ロボット3000は、把持部3001として上述した検出装置を備えているので、対象物3010の表面(接触面)に垂直な方向の力と併せて重力Mgですべる方向の力(すべり力の成分)を検出することが可能である。例えば、柔らかい物体を変形させたりすべりやすい物体を落としたりしないよう、対象物3010の質感に応じて力を加減しながら持つことができる。
As shown in FIG. 16B, consider a case where the
このロボット3000によれば、上述した検出装置を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能なロボットを提供することができる。
According to the
1,2,3…検出装置、10…第1基板、12…圧力センサー、20…第2基板、22…弾性体突起、22a…第1層、22b…第2層、23…弾性体突起、24…第2基板、25…第1層、26…第2層、27…弾性体突起、28…第2基板、30…演算装置、1000…携帯電話機、2000…携帯情報端末、3000…ロボット、P…基準点
DESCRIPTION OF
Claims (12)
外圧によって先端部が前記複数の圧力センサーに当接した状態で弾性変形する弾性体突起が形成された第2基板と、を備え、
前記弾性体突起は、前記第1基板に近い側から遠い側に向けて硬さが硬くなるように構成されている検出装置。 A first substrate on which a plurality of pressure sensors are arranged around a reference point;
A second substrate on which an elastic protrusion is formed that is elastically deformed in a state in which a tip portion is in contact with the plurality of pressure sensors by external pressure,
The detection device is configured such that the elastic protrusions become harder from a side closer to the first substrate toward a side farther from the first substrate.
前記複数の弾性体突起は互いに離間して配置されている請求項1〜8のいずれか1項に記載の検出装置。 A plurality of the elastic protrusions are formed on the second substrate,
The detection device according to claim 1, wherein the plurality of elastic body protrusions are spaced apart from each other.
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Cited By (1)
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KR20190045460A (en) * | 2017-10-24 | 2019-05-03 | 연세대학교 산학협력단 | Tactile sensor for measuring of normal force, shear force and torsion force |
-
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